CN112053402A - 利用偏振地理信息数据库获取航向角的方法 - Google Patents
利用偏振地理信息数据库获取航向角的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112053402A CN112053402A CN202010749644.6A CN202010749644A CN112053402A CN 112053402 A CN112053402 A CN 112053402A CN 202010749644 A CN202010749644 A CN 202010749644A CN 112053402 A CN112053402 A CN 112053402A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- angle
- course angle
- point
- current orientation
- meridian
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 22
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract description 17
- 238000000605 extraction Methods 0.000 claims description 6
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 claims description 5
- 230000010287 polarization Effects 0.000 abstract description 43
- 238000012360 testing method Methods 0.000 abstract description 12
- 230000009466 transformation Effects 0.000 abstract description 9
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 8
- 239000000284 extract Substances 0.000 abstract description 3
- 238000010276 construction Methods 0.000 abstract description 2
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 10
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 230000008033 biological extinction Effects 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 239000004178 amaranth Substances 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
- G06T7/00—Image analysis
- G06T7/70—Determining position or orientation of objects or cameras
- G06T7/73—Determining position or orientation of objects or cameras using feature-based methods
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C1/00—Measuring angles
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06C—DIGITAL COMPUTERS IN WHICH ALL THE COMPUTATION IS EFFECTED MECHANICALLY
- G06C3/00—Arrangements for table look-up, e.g. menstruation table
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F16/00—Information retrieval; Database structures therefor; File system structures therefor
- G06F16/20—Information retrieval; Database structures therefor; File system structures therefor of structured data, e.g. relational data
- G06F16/29—Geographical information databases
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
- G06T7/00—Image analysis
- G06T7/10—Segmentation; Edge detection
- G06T7/13—Edge detection
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Databases & Information Systems (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
- Geometry (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Data Mining & Analysis (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Computing Systems (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
Abstract
本发明属于偏振导航技术领域,提供了一种利用偏振地理信息数据库获取航向角的方法。本发明结合了图像式天空偏振模式测试系统和Hough变换技术的功能特点,从天空中获取到偏振信息,提取出可用于计算航向角的太阳子午线方向,建立偏振地理信息数据库,通过平面二维坐标系和立体三维坐标系的构建,发明出可通过角度运算计算得到航向角的方法,该方法思路严谨,条理清晰,实现了利用偏振地理信息数据库获取得到航向角,为偏振光导航的实际应用进行了补充和探索。
Description
技术领域
本发明属于偏振导航技术领域,具体涉及利用图像式天空偏振模式测试系统获取实际大气环境下的天空偏振光分布模式,利用Hough变换技术提取太阳子午线方位角信息,基于此发明基于偏振信息的航向角获取方法。
背景技术
导航技术发挥着重要作用,偏振光导航能够利用自然界的属性获取导航信息,能满足军队在战争时期对导航的特殊需求,具有体积小,隐蔽性好,灵敏度高,不易受外界干扰等优点,弥补了目前较为成熟的导航所存在的不足之处,具有重要的研究价值。
目前根据天空偏振光信息获取航向角的方式大致有两种,一种是通过天空中有限的偏振信息采样点,利用对称性关系检测天空偏振光分布模式中的对称线SM-ASM来获取航向角信息,其中对称线连接着太阳子午线与逆太阳子午线。另一种是依据偏振方位角分布关于太阳子午线对称的关系,并结合太阳子午线上的偏振方位角是±90°的特征,通过设定阈值从偏振光分布模式中提取出太阳子午线,以此作为参考方向来获取航向角。相比于第一种方式,第二种获取航向角的方式是通过图像式测试系统得到的全天空偏振光分布模式,包含了全天空的偏振信息,以这种方式获取的航向角具有更高的精度和鲁棒性。
图像式天空偏振模式测试系统能够实时捕捉实际大气条件下的天空偏振光分布模式。测试时采用高消光比9000:1的线性偏振片来消除其自身消光率和透射率的影响。鱼眼镜头前端安装线性偏振片之后,视角范围由180°减小为130°,依然能够采集足够的光强信息,能够满足对天空偏振特性的测量。测试时保证鱼眼镜头水平对准天空,旋转线性偏振片获取0°、45°和90°三个偏振方向的偏振信息原始数据,进行大量测试建立偏振地理信息数据库。
Hough变换技术可以提取图像中的特征直线。基于Hough变换技术提取太阳子午线的具体步骤如下(如图1所示):基于Stokes矢量原理对图像式天空偏振模式测试系统获取的偏振信息原始数据进行处理,得到偏振光方位角分布模式;设置特征阈值得到太阳子午线特征区域;使用Canny算子检测特征区域的边缘;运用Hough变换检测边缘直线方向并结合太阳子午线特征区域的对称性分布关系计算太阳子午线方位角。
研究表明天空偏振光分布模式关于太阳子午线对称,利用太阳子午线可以获取航向角。因此,基于天空偏振光分布的对称性特征,基于太阳子午线方位角信息,提出了一种利用偏振地理信息数据库获取航向角的方法。
发明内容
本发明基于现有的图像式天空偏振模式测试系统和Hough变换技术,针对偏振光导航未能实际应用的现状采用根据太阳子午线方位角来获取航向角的方式提出了一种新的利用偏振地理信息数据库获取航向角的方法,并通过航向角获取仿真实验验证了方法的可行性。
本发明的技术方案:
利用偏振地理信息数据库获取航向角的方法,步骤如下:
(1)获取航向角
以观测点所在的位置作为坐标原点,地理正北方向作为X轴正向,地理正东方向作为Y轴正向,建立二维平面坐标系;
航向角的获取公式为:
βh=β0-βs (1)
其中,βh表示航向角,指的是当前朝向与地理北极之间的夹角;βs表示太阳子午线方位角,指的是太阳子午线与地理北极之间的夹角,βs通过太阳子午线提取算法计算得到;β0表示当前朝向与太阳子午线之间的夹角,β0通过计算载体方向与太阳子午线之间的角度得到;
(2)建立基准航向角
为了利用偏振光信息计算航向角,选择9:00时刻的天空偏振光方位角分布模式的太阳子午线所在方向作为基准方向;
取地球上半球建立地球坐标系,取目标点B经度线与观测点A纬度线的交点为点C,则观测点A、目标点B和点C三点形成了球面直角三角形,其中点C所处的角为直角,三边a、b和c分别表示球面直角三角形中角A、角B和角C所对应的边长;球面直角三角形存在的几何关系如公式(3):
整理得到公式(4):
(3)计算航向角
令当前朝向与实测太阳子午线方向重合,则航向角计算公式如公式(5)所示:
其中,βh表示的是航向角,即当前朝向与目标朝向之间的夹角;表示的是基准航向角,即载体当前朝向与基准方向重合时,当前朝向与目标朝向之间的夹角;表示的是实测太阳子午线方向(即当前朝向)与基准方向之间的夹角。
本发明的有益效果:本发明结合了图像式天空偏振模式测试系统和Hough变换技术的功能特点,从天空中获取到偏振信息,提取出可用于计算航向角的太阳子午线方向,建立偏振地理信息数据库,通过平面二维坐标系和立体三维坐标系的构建,发明出可通过角度运算计算得到航向角的方法,该方法思路严谨,条理清晰,实现了利用偏振地理信息数据库获取得到航向角,为偏振光导航的实际应用进行了补充和探索。
附图说明
图1为Hough变换技术提取太阳子午线流程图。
图2为航向角获取原理图。
图3为基准航向角获取示意图。
图4为基准航向角计算原理图。
图5为地球坐标系示意图。
图6为任意时刻下航向角计算示意图。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案,进一步说明本发明的具体实施方式。
利用偏振地理信息数据库获取航向角的方法具体步骤如下:
步骤一,搭建图像式天空偏振模式测试系统实时捕捉实际大气条件下的天空偏振光分布模式原始图,收集大量数据建立数据库,得到0°、45°和90°三个偏振方向的原始图像。0°原始图像。
步骤二,通过Matlab基于Stokes矢量原理对图像式天空偏振模式测试系统获取的偏振信息原始图像进行处理,得到偏振光方位角分布模式。
步骤三,设置特征阈值得到太阳子午线特征区域后使用Canny算子检测特征区域的边缘,然后运用Hough变换技术检测边缘直线方向并结合太阳子午线特征区域的对称性分布关系计算太阳子午线方位角,得到实测太阳子午线方向。图1。
步骤四,从实测太阳子午线方向数据中选择9:00时刻的天空偏振光方位角分布模式的太阳子午线所在方向作为基准方向,通过天文年历可以计算得到基准方向与观测点A所在纬度圈间的夹角结合图5通过公式3得到观测点A与目标点B之间的相对水平角度通过公式1得到基准航向角图4。数据记录在表1。
步骤六,通过公式4即得到航向角βh。图6。通过航向角获取仿真实验重复上述步骤得到模拟航向角结果。见表2。模拟结果验证了该方法的可行性。
综上,实现了利用偏振地理信息数据库获取航向角的方法。本发明结合了图像式天空偏振模式测试系统和Hough变换技术的功能特点,建立偏振地理信息数据库和基准航向角,发明出通过角度运算计算得到航向角的方法,为偏振光导航的实际应用开阔了新的思路。
利用偏振地理信息数据库获取航向角的方法,步骤如下:
(1)获取航向角
为了更加直观地描述基于太阳子午线方位角获取航向角的原理,以观测点所在的位置作为坐标原点,地理正北方向作为X轴正向,地理正东方向作为Y轴正向,建立了如图2所示的二维平面坐标系,对航向角获取过程中所涉及到角度进行描述。
在图2中,βh中表示航向角,指的是当前朝向与地理北极之间的夹角。βs表示太阳子午线方位角,指的是太阳子午线与地理北极之间的夹角。β0表示当前朝向与太阳子午线之间的夹角。其中βs可以通过太阳子午线提取算法计算得到,β0可以通过计算载体方向与太阳子午线之间的角度得到。那么航向角获取公式为:
βh=β0-βs (1)
太阳的位置可能会位于如图所示的第一象限,也可能会位于与上图相反的方向即第三象限,因此在提取太阳子午线方位角时无法确定太阳的位置,所以在计算航向角时可能会产生两种结果,这种现象在航向角计算过程中被称为太阳子午线二义性。为了准确得到航向角的计算结果必须消除太阳子午线二义性的影响。在偏振度分布规律中,偏振度分布关于太阳子午线和最大偏振线对称。最大偏振线垂直于太阳子午线,结合偏振度呈环状分布和太阳附近偏振度为0的特点,可知在以最大偏振线为分界线的偏振度分布两侧中,有太阳一侧的偏振度总和小于无太阳一侧的偏振度总和。利用偏振度分布的这个特点,就能确定太阳的大致位置,消除二义性的影响。
(2)建立基准航向角
为了能够准确表达基准航向角建立原理,建立如图3所示基准航向角获取示意图,该图包括了当前朝向、目标朝向和基准朝向。为了能够利用偏振光信息计算航向角,选择9:00时刻的天空偏振光方位角分布模式的太阳子午线所在方向作为基准方向。
取地球上半球建立此地球坐标系,取目标点B经度线与观测点A纬度线的交点为点C,则观测点A、目标点B和点C三点形成了球面直角三角形,其中点C所处的角为直角,三边a、b和c分别表示球面直角三角形中角A、角B和角C所对应的边长。球面直角三角形存在公式(3)所示的几何关系:
整理公式(3)可得到公式(4):
根据上述计算原理,计算了沈阳(E123°30′,41°36′N)与大连(121°45′E,39°02′N)两地在2020年1月14日与2020年1月15日两天的基准航向角(9:00时刻)如表1所示。
表1基准航向角计算
(3)计算航向角
为了简化航向角计算过程,令当前朝向与实测太阳子午线方向重合,则航向角计算关系如图6所示。
在图6中,βh表示的是航向角,即当前朝向与目标朝向之间的夹角。表示的是基准航向角,即载体当前朝向与基准方向重合时,当前朝向与目标朝向之间的夹角。表示的是实测太阳子午线方向(即当前朝向)与基准方向之间的夹角。根据图6,航向角计算公式如公式(5)所示:
(4)航向角获取仿真实验
基于Rayleigh散射理论进行仿真实验,选择2020年1月14日大连从15:00到16:30的天空偏振光方位角分布模式,以15分钟为时间间隔,获取了7个时刻的天空偏振光方位角分布模式,利用Hough变换提取了太阳子午线方位角,依据上述原理计算了从大连(121°45′E,39°02′N)到沈阳(123°30′E,41°36′N)的航向角。仿真结果如表2所示。
表2航向角仿真结果
从表2中可以看出,依据上述原理计算得到的理论航向角与仿真结果值得最大误差是0.248°,最小误差是0.014°,因此航向角获取方法仿真精度范围为0.014°-0.248°,通过航向角获取仿真实验验证了该方法的可行性。
Claims (1)
1.一种利用偏振地理信息数据库获取航向角的方法,其特征在于,步骤如下:
(1)获取航向角
以观测点所在的位置作为坐标原点,地理正北方向作为X轴正向,地理正东方向作为Y轴正向,建立二维平面坐标系;
航向角的获取公式为:
βh=β0-βs (1)
其中,βh表示航向角,指的是当前朝向与地理北极之间的夹角;βs表示太阳子午线方位角,指的是太阳子午线与地理北极之间的夹角,βs通过太阳子午线提取算法计算得到;β0表示当前朝向与太阳子午线之间的夹角,β0通过计算载体方向与太阳子午线之间的角度得到;
(2)建立基准航向角
为了利用偏振光信息计算航向角,选择9:00时刻的天空偏振光方位角分布模式的太阳子午线所在方向作为基准方向;
取地球上半球建立地球坐标系,取目标点B经度线与观测点A纬度线的交点为点C,则观测点A、目标点B和点C三点形成了球面直角三角形,其中点C所处的角为直角,三边a、b和c分别表示球面直角三角形中角A、角B和角C所对应的边长;球面直角三角形存在的几何关系如公式(3):
整理得到公式(4):
(3)计算航向角
令当前朝向与实测太阳子午线方向重合,则航向角计算公式如公式(5)所示:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202010749644.6A CN112053402B (zh) | 2020-07-30 | 2020-07-30 | 利用偏振地理信息数据库获取航向角的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202010749644.6A CN112053402B (zh) | 2020-07-30 | 2020-07-30 | 利用偏振地理信息数据库获取航向角的方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN112053402A true CN112053402A (zh) | 2020-12-08 |
CN112053402B CN112053402B (zh) | 2022-10-04 |
Family
ID=73602323
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202010749644.6A Expired - Fee Related CN112053402B (zh) | 2020-07-30 | 2020-07-30 | 利用偏振地理信息数据库获取航向角的方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN112053402B (zh) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN115062770A (zh) * | 2022-08-04 | 2022-09-16 | 中国人民解放军国防科技大学 | 基于广义仿生偏振光导航模型及求解的导航方法 |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102052914A (zh) * | 2010-11-12 | 2011-05-11 | 合肥工业大学 | 利用天空偏振模式分布规律计算导航方向角的方法 |
CN107063170A (zh) * | 2017-03-31 | 2017-08-18 | 中国人民解放军国防科学技术大学 | 复杂环境下基于大气偏振角模式的航向角估计方法 |
CN108759819A (zh) * | 2018-06-08 | 2018-11-06 | 北京航空航天大学 | 一种基于全天域偏振度信息的偏振导航实时定位方法 |
CN111412916A (zh) * | 2020-04-23 | 2020-07-14 | 大连理工大学 | 一种基于大气偏振光场的天文航海船位计算方法 |
-
2020
- 2020-07-30 CN CN202010749644.6A patent/CN112053402B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102052914A (zh) * | 2010-11-12 | 2011-05-11 | 合肥工业大学 | 利用天空偏振模式分布规律计算导航方向角的方法 |
CN107063170A (zh) * | 2017-03-31 | 2017-08-18 | 中国人民解放军国防科学技术大学 | 复杂环境下基于大气偏振角模式的航向角估计方法 |
CN108759819A (zh) * | 2018-06-08 | 2018-11-06 | 北京航空航天大学 | 一种基于全天域偏振度信息的偏振导航实时定位方法 |
CN111412916A (zh) * | 2020-04-23 | 2020-07-14 | 大连理工大学 | 一种基于大气偏振光场的天文航海船位计算方法 |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
晏磊等: "基于天空偏振光分布模式的仿生导航定向机理初探", 《北京大学学报(自然科学版)》 * |
王晨光等: "利用全天域大气偏振检测的航向角解算", 《光电工程》 * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN115062770A (zh) * | 2022-08-04 | 2022-09-16 | 中国人民解放军国防科技大学 | 基于广义仿生偏振光导航模型及求解的导航方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN112053402B (zh) | 2022-10-04 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN107831497B (zh) | 一种利用三维点云数据定量刻画森林聚集效应的方法 | |
CN108983232B (zh) | 一种基于邻轨数据的InSAR二维地表形变监测方法 | |
CN103759727B (zh) | 一种基于天空偏振光分布模式的导航定位方法 | |
CN107063189A (zh) | 基于视觉的定位系统及方法 | |
CN111077525B (zh) | 融合sar与光学偏移量技术的地表三维形变计算方法及系统 | |
US20080036758A1 (en) | Systems and methods for determining a global or local position of a point of interest within a scene using a three-dimensional model of the scene | |
CN102565812B (zh) | 一种gps rtk中测量隐蔽点点位坐标的方法 | |
CN106296717B (zh) | 多波段sar图像匹配目标定位方法 | |
CN101493322A (zh) | 基于视频中太阳影子轨迹的经纬度估计方法 | |
CN106643670B (zh) | 一种无人机航摄站点坐标求解装置及方法 | |
CN104599232A (zh) | 一种基于站心坐标系和透视投影的增强现实方法 | |
CN109448043A (zh) | 平面约束下的立木高度提取方法 | |
CN114001756B (zh) | 一种小视场星敏感器外场地面寻星方法 | |
CN102901485B (zh) | 一种光电经纬仪快速自主定向的方法 | |
CN117994678B (zh) | 自然资源遥感测绘影像定位方法及系统 | |
Guan et al. | A novel algorithm for estimating the relative rotation angle of solar azimuth through single-pixel rings from polar coordinate transformation for imaging polarization navigation sensors | |
CN112053402B (zh) | 利用偏振地理信息数据库获取航向角的方法 | |
CN117053797A (zh) | 基于多目视觉下的大气偏振导航方法 | |
CN110068313A (zh) | 一种基于投影变换的数字天顶仪定向方法 | |
CN115200573B (zh) | 空间目标的测量装备定位方法、系统和存储介质 | |
CN110927765A (zh) | 激光雷达与卫星导航融合的目标在线定位方法 | |
CN106767766B (zh) | 一种基于单中性点模型的天空偏振定位方法 | |
CN112085751B (zh) | 一种基于云图阴影匹配算法的云层高度估算方法 | |
CN109540112B (zh) | 一种全站仪及其测日定向方法 | |
Zhang et al. | Heading determination of bionic polarization sensor based on night composite light field |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20221004 |
|
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |